Кіріспе

Ішкі тепе-теңдік күйіндегі материя денесі. Термодинамикалық жүйе – термодинамика заңдарын қолданып зерттеуге болатын, қоршаған ортадан бөлінген материя және/немесе сәулелену денесі. Термодинамикалық жүйелер ішкі процестерге қарай пассивті және белсенді болып бөлінеді. Ішкі процестерге сәйкес, пассивті жүйелерде қолжетімді энергия қайта таратылады, ал белсенді жүйелерде энергияның бір түрі екінші түріне айналады. Қоршаған ортамен өзара әрекеттесуіне байланысты термодинамикалық жүйе оқшауланған, жабық немесе ашық жүйе болуы мүмкін. Оқшауланған жүйе қоршаған ортамен затты немесе энергияны алмастырмайды. Жабық жүйе жылу алмасуы мүмкін, күштерге ұшырауы және күштерді қолдануы мүмкін, бірақ затты алмастырмайды. Ашық жүйе қоршаған ортасымен зат пен энергия алмасу арқылы өзара әрекеттесе алады. Термодинамикалық жүйенің белгілі бір уақыттағы физикалық жағдайы оның күйімен сипатталады, ол термодинамикалық күй айнымалылары жиынтығы арқылы анықталады. Термодинамикалық жүйе термодинамикалық тепе-теңдікте болады, егер оның ішінде немесе басқа жүйелермен макроскопиялық деңгейде зат немесе энергия ағыны байқалмаса.

Шолу

Термодинамикалық тепе-теңдік масса немесе энергия ағынының болмауымен сипатталады. Тепе-теңдік термодинамикасы, физика ғылымының бір саласы ретінде, ішкі термодинамикалық тепе-теңдік күйдегі материя мен энергияның макроскопиялық денелерін зерттейді. Ол термодинамикалық процестер ұғымын пайдаланады, олар арқылы денелер материя мен энергияны бір-бірімен алмастыру арқылы бір тепе-теңдік күйден екіншісіне өтеді. «Термодинамикалық жүйе» термині термодинамиканың ерекше контекстінде материя мен энергия денелерін білдіреді. Денелер арасындағы мүмкін тепе-теңдік денелерді бөлетін қабырғалардың физикалық қасиеттерімен анықталады. Тепе-теңдік термодинамикасы уақытты өлшемейді. Тепе-теңдік термодинамикасы салыстырмалы түрде қарапайым және жақсы қалыптасқан ғылым. Мұның бір себебі – «дене энтропиясы» деп аталатын нақты физикалық шаманың болуы. Тепе-теңдіксіз термодинамика, физика ғылымының бір саласы ретінде, ішкі термодинамикалық тепе-теңдік күйде болмайтын, бірақ термодинамикалық күй айнымалыларымен тығыз байланысты шамалар тұрғысынан сипаттауға мүмкіндік беретін, жеткілікті баяу процестерге қатысатын материя мен энергия денелерін зерттейді. Ол материя мен энергия ағындарының болуымен сипатталады. Бұл тақырыпта қарастырылатын денелер көбінесе кеңістікте біркелкі емес, сондықтан температура градиенті сияқты кеңістіктік градиенттер жеткілікті түрде анықталған. Осылайша, тепе-теңдіксіз термодинамикалық жүйелерді сипаттау, тепе-теңдік термодинамикасы теориясынан күрделірек өріс теориясы болып табылады. Тепе-теңдіксіз термодинамика – дамып келе жатқан, қалыптасқан емес ғылым. Жалпы, тепе-теңдіксіз проблемалар үшін дәл анықталған энтропияны табу мүмкін емес. Көптеген тепе-теңдіксіз термодинамикалық проблемалар үшін «энтропия өндірілу жылдамдығы» деп аталатын шамамен анықталған шама өте пайдалы. Тепе-теңдіксіз термодинамика көбінесе осы мақаланың аясынан тыс. Тағы бір термодинамикалық жүйе түрі инженерлік тәжірибеде қарастырылады. Ол ағынды процеске қатысады. Есептеулер көп жағдайда тепе-теңдік термодинамикалық ұғымдарға жуық терминдерді пайдаланады. Бұл көбінесе осы мақаланың аясынан тыс және басқа мақалаларда, мысалы, «Ағын процесі» мақаласында сипатталған.

Тарих

Термодинамикалық жүйелерді жіктеу термодинамика ғылымының дамуымен бірге туындады. Жылу машиналарының алғашқы теориясынан (Саади Карно, Франция, 1824) бастап диссипативтік құрылымдар теориясына (Илья Пригожин, Бельгия, 1971) дейінгі кезеңде термодинамикалық процестерді теориялық зерттеулер негізінен термодинамикалық жүйелердің қоршаған ортамен өзара әрекеттесу заңдылықтарына қатысты. Осымен қатар, термодинамикалық жүйелер негізінен оқшауланған, жабық және ашық деп жіктеліп, әртүрлі термодинамикалық күйлерде сәйкес қасиеттерге ие, мысалы, тепе-теңдікке жақын, тепе-теңдіксіз және күшті тепе-теңдіксіз күйлерде. 2010 жылы Борис Доброборский (Израиль, Ресей) энергияны қайта бөлуден (пассивті жүйелер) және энергияны түрлендіруден (активті жүйелер) тұратын ішкі процестерге сәйкес термодинамикалық жүйелерді жіктеуді ұсынды.

Пассивті жүйелер

Егер термодинамикалық жүйеде, мысалы, бір ұшы екіншісінен жылырақ болатын таяқта температура айырмашылығы болса, онда жылу энергиясы берілу процестері жүзеге асады, оның нәтижесінде суық бөлігінің температурасы жоғарылайды, ал жылы бөлігінің температурасы төмендейді. Соның салдарынан, біраз уақыт өткен соң таяқтың температурасы теңеседі – таяқ термодинамикалық тепе-теңдік күйіне келеді.

Белсенді жүйелер

Егер энергияның бір түрін екінші түріне түрлендіру процесі термодинамикалық жүйе ішінде жүрсе, мысалы, химиялық реакцияларда, электрлік немесе пневматикалық моторларда, немесе бір қатты дене екіншісіне үйкелгенде, энергияның бөлінуі немесе жұтылуы процестері орын алады және термодинамикалық жүйе қоршаған ортамен салыстырғанда әрқашан тепе-теңдіксіз күйге ұмтылады.

Тепе-теңдіктегі жүйелер

Оқшауланған жүйелерде уақыт өте келе ішкі қайта реттелудің азайып, тұрақты жағдайларға жақындағаны үнемі байқалады. Қысым мен температура теңестіріледі, ал зат бір немесе бірнеше салыстырмалы түрде біртекті фазаларға орналасады. Өзгеріс процестерінің барлығы дерлік аяқталған жүйе термодинамикалық тепе-теңдік күйде деп есептеледі. Тепе-теңдіктегі жүйенің термодинамикалық қасиеттері уақыт өте өзгермейді. Тепе-теңдік күйлерін, тепе-теңдік емес күйлерге қарағанда, детерминистік тұрғыдан сипаттау әлдеқайда оңай. Термодинамикалық процесті талдау кезінде, кейбір жағдайларда, процестің әрбір аралық күйі тепе-теңдікте деп қарастыруға болады. Мұндай процесс квазистатикалық деп аталады. Процесс қайтымды болуы үшін, оның әрбір қадамы қайтымды болуы керек. Процесс кезегінің қайтымды болуы үшін, жүйе кезең бойы тепе-теңдік күйде болуы тиіс. Бұл идеалды іс жүзінде толыққанды жүзеге асыру мүмкін емес, себебі жүйені тепе-теңдіктен бұзусыз ешқандай қадам жасауға болмайды, бірақ идеалға жақындасу үшін өзгерістерді баяу жасауға болады. Термодинамикалық тепе-теңдіктің өзінің болуы – термодинамикалық жүйелердің күйлерін анықтайтын термодинамиканың ең маңызды, ерекше және негізгі постулаты болып табылады, бірақ ол көбінесе нөмірленген заң ретінде келтірілмейді. Бейлінге сәйкес, термодинамиканың бірінші заңының әдеттегі тұжырымы осы негізгі постулаттың салдары болып табылады. Шындығында, табиғатта ешбір нәрсе қатаң термодинамикалық тепе-теңдікте болмайды, бірақ термодинамикалық тепе-теңдік постулаты теориялық және тәжірибелік тұрғыдан өте пайдалы идеализациялар немесе жуықтамалар ұсынады; тәжірибелер практикалық термодинамикалық тепе-теңдік сценарийлерін ұсынуы мүмкін. Тепе-теңдік термодинамикасында күй айнымалылары ағындарды қамтымайды, өйткені термодинамикалық тепе-теңдік күйде барлық ағындардың мәні анықтама бойынша нөлге тең болады. Тепе-теңдік термодинамикалық процестерде ағындар болуы мүмкін, бірақ олар термодинамикалық процесс немесе операция аяқталған кезде тоқтауы керек, жүйені оның соңғы термодинамикалық күйіне жеткізеді. Тепе-теңдік емес термодинамика өз күй айнымалыларына нөлдік емес ағындарды қосуға мүмкіндік береді, олар жүйе мен оның қоршаған ортасы арасындағы массаның, энергияның немесе энтропияның ауысуын сипаттайды.

Қоршаған орта

Жүйе – зерттеліп отырған ғаламның бөлігі, ал қоршаған орта – жүйе шегінен тысқары жатқан ғаламның қалған бөлігі. Ол қоршаған орта немесе резервуар деп те аталады. Жүйенің типіне байланысты, ол масса, энергия (соның ішінде жылу және жұмыс), импульс, электр заряды немесе басқа да сақталатын қасиеттерді алмастыру арқылы жүйемен өзара әрекеттесе алады. Жүйені талдау кезінде қоршаған орта, осы өзара әрекеттесулерден басқа, ескерілмейді.

Оқшауланған жүйе

Оқшауланған жүйе, жабық жүйеге қарағанда көбірек шектеулерге ие, себебі ол қоршаған ортамен ешқандай өзара әрекеттеспейді. Жүйе ішіндегі масса мен энергия тұрақты болып қалады, ал энергия мен массаның шекарадан өтуі болмайды. Оқшауланған жүйеде уақыт өте келе ішкі айырмашылықтар тепе-теңдікке ұмтылады, қысымдар мен температуралар, сондай-ақ тығыздық айырмашылықтары да теңеседі. Барлық теңестіру процестері дерлік аяқталған жүйе термодинамикалық тепе-теңдік күйінде болады. Шын мәнінде толығымен оқшауланған физикалық жүйелер жоқ (әлдебір ғаламның өзінен басқа), себебі мысалы, массасы бар жүйе мен басқа жердегі массалар арасында әрдайым гравитациялық тартылыс болады. Дегенмен, нақты жүйелер белгілі бір (мүмкін өте ұзақ) уақыт аралығында оқшауланған жүйе сияқты мінез-құлық танытуы мүмкін. Оқшауланған жүйе тұжырымы көптеген нақты жағдайларды шамалау үшін пайдалы модель ретінде қызмет ете алады. Бұл белгілі бір табиғи құбылыстардың математикалық модельдерін құруда қолданылатын қабылданатын идеалдау. Термодинамиканың екінші заңындағы энтропияның өсуі постулатын негіздеу үшін Болцманның H теоремасы теңдеулерді қолданды, ол жүйе (мысалы, газ) оқшауланған деп есептеді. Яғни, барлық механикалық еркіндік дәрежесін анықтауға болады, ал қабырғаларды жай ғана айна ретінде қарастыруға болады. Бұл сөзсіз Лосшмидт парадоксына алып келді. Алайда, егер нақты қабырғалардағы молекулалардың стохастикалық мінез-құлқы, сонымен қатар қоршаған ортаның кездейсоқ жылу сәулеленуі ескерілсе, Болцманның молекулалық хаос туралы болжамын негіздеуге болады. Оқшауланған жүйелерге қатысты термодинамиканың екінші заңы бойынша, тепе-теңдік күйінде емес оқшауланған жүйенің энтропиясы уақыт өте келе артады, тепе-теңдікке жеткенде максималды мәніне жақындайды. Жалпы, оқшауланған жүйеде ішкі энергия тұрақты болады және энтропия ешқашан кемімейді. Жабық жүйенің энтропиясы, мысалы, жүйеден жылу алынғанда азаюы мүмкін. Оқшауланған жүйелер жабық жүйелермен тең емес. Жабық жүйелер қоршаған ортамен зат алмаса алмайды, бірақ энергия алмаса алады. Оқшауланған жүйелер қоршаған ортамен ешқандай затты да, энергияны да алмаса алмайды, сондықтан олар тек теориялық ұғым және шын мәнінде жоқ (әлдебір ғаламнан басқа). Термодинамикалық талқылауларда "жабық жүйе" термині жиі қолданылады, бірақ "оқшауланған жүйе" термині дұрыс болар еді – яғни, энергия жүйеге кірмейді немесе одан шықпайды деген болжам бар.

Материяның іріктеп тасымалдануы

Термодинамикалық процесс үшін жүйенің қабырғалары мен қоршаған ортасының нақты физикалық қасиеттері маңызды, себебі олар қандай процестерге рұқсат етілетінін анықтайды. Ашық жүйеде материя алмасуға мүмкіндік беретін бір немесе бірнеше қабырғалар болады. Ашық жүйенің ішкі энергиясын есепке алу үшін, жылу және жұмыс үшін энергия алмасу шарттарына қоса, тағы да энергия алмасу шарттары қажет. Бұл химиялық потенциал туралы түсінікке де алып келеді. Тек таза затты өткізгіш қабырға жүйені қоршаған ортадағы сол таза заттың резервуарымен диффузиялық байланысқа қоя алады. Онда сол таза зат жүйе мен қоршаған орта арасында тасымалдануы мүмкін. Сондай-ақ, осы қабырға арқылы сол затқа қатысты тепе-теңдік орнатуға болады. Тиісті термодинамикалық амалдар арқылы таза зат резервуары жабық жүйе ретінде қарастырылуы мүмкін. Оның ішкі энергиясы мен энтропиясы температура, қысым және моль санының функциясы ретінде анықталуы мүмкін. Термодинамикалық амал жүйенің осы затқа қатысты тепе-теңдік қабырғасынан басқа барлық қабырғаларын материя өткізбейтіндей ете алады. Бұл қоршаған ортаның эталондық күйіне шаққанда осы зат үшін интенсивті күй айнымалысын анықтауға мүмкіндік береді. Интенсивті айнымалы химиялық потенциал деп аталады; компонент i үшін ол әдетте μi деп белгіленеді. Сәйкес экстенсивті айнымалы жүйедегі компоненттің Ni моль саны болуы мүмкін. Затқа өткізгіш қабырға арқылы тепе-теңдік орнату үшін, заттың химиялық потенциалы қабырғаның екі жағында да бірдей болуы керек. Бұл термодинамикалық тепе-теңдіктің мәнінің бір бөлігі және термодинамиканың бірінші заңымен байланысты қарастырылуы мүмкін.